Abstract Severe acute respiratory syndrome (SARS) and Middle East respiratory syndrome (MERS) coronaviruses (CoVs) are zoonotic pathogens with high fatality rates and pandemic potential. Vaccine development focuses on the principal target of the neutralizing humoral immune response, the spike (S) glycoprotein. Coronavirus S proteins are extensively glycosylated, encoding around 66–87 N-linked glycosylation sites per trimeric spike. Here, we reveal a specific area of high glycan density on MERS S that results in the formation of oligomannose-type glycan clusters, which were absent on SARS and HKU1 CoVs. We provide a comparison of the global glycan density of coronavirus spikes with other viral proteins including HIV-1 envelope, Lassa virus glycoprotein complex, and influenza hemagglutinin, where glycosylation plays a known role in shielding immunogenic epitopes. Overall, our data reveal how organisation of glycosylation across class I viral fusion proteins influence not only individual glycan compositions but also the immunological pressure across the protein surface.

Abstract Severe acute respiratory syndrome (SARS) and Middle East respiratory syndrome (MERS) coronaviruses (CoVs) are zoonotic pathogens with high fatality rates and pandemic potential. Vaccine development has focussed on the principal target of the neutralizing humoral immune response, the spike (S) glycoprotein, which mediates receptor recognition and membrane fusion. Coronavirus S proteins are extensively glycosylated viral fusion proteins, encoding around 69-87 N-linked glycosylation sites per trimeric spike. Using a multifaceted structural approach, we reveal a specific area of high glycan density on MERS S that results in the formation of under-processed oligomannose-type glycan clusters, which was absent on SARS and HKU1 CoVs. We provide a comparison of the global glycan density of coronavirus spikes with other viral proteins including HIV-1 envelope, Lassa virus glycoprotein complex, and influenza hemagglutinin, where glycosylation plays a known role in shielding immunogenic epitopes. Consistent with the ability of the antibody-mediated immune response to effectively target and neutralize coronaviruses, we demonstrate that the glycans of coronavirus spikes are not able to form an efficacious high-density global shield to thwart the humoral immune response. Overall, our data reveal how differential organisation of viral glycosylation across class I viral fusion proteins influence not only individual glycan compositions but also the immunological pressure across the viral protein surface.

Abstract Two-component, self-assembling nanoparticles represent a versatile platform for multivalent presentation of viral antigens. Nanoparticles of different sizes and geometries can be designed and combined with appropriate antigens to fit the requirements of different immunization strategies. Here, we describe detailed antigenic, structural, and functional characterization of computationally designed tetrahedral, octahedral, and icosahedral nanoparticle immunogens displaying trimeric HIV envelope glycoprotein (Env) ectodomains. Env trimers, based on subtype A (BG505) or consensus group M (ConM) sequences and engineered with SOSIP stabilizing mutations, were fused to the underlying trimeric building block of each nanoparticle. Initial screening yielded one icosahedral and two tetrahedral nanoparticle candidates, capable of presenting twenty or four copies of the Env trimer. A number of analyses, including detailed structural characterization by cryo-EM, demonstrated that the nanoparticle immunogens possessed the intended structural and antigenic properties. Comparing the humoral responses elicited by ConM-SOSIP trimers presented on a two-component tetrahedral nanoparticle to the corresponding soluble protein revealed that multivalent presentation increased the proportion of the overall antibody response directed against autologous neutralizing Ab epitopes present on the ConM-SOSIP trimers. Author Summary Protein constructs based on soluble ectodomains of HIV glycoprotein (Env) trimers are the basis of many current HIV vaccine platforms. Multivalent antigen display is one strategy applied to improve the immunogenicity of different subunit vaccine candidates. Here, we describe and comprehensively evaluate a library of de novo designed, protein nanoparticles of different geometries for their ability to present trimeric Env antigens. We found three nanoparticle candidates that can stably incorporate model Env trimer on their surface while maintaining its structure and antigenicity. Immunogenicity of the designed nanoparticles is assessed in vitro and in vivo . In addition to introducing a novel set of reagents for multivalent display of Env trimers, this work provides both guiding principles and a detailed experimental roadmap for the generation, characterization, and optimization of Env-presenting, self-assembling nanoparticle immunogens.

Abstract Low-density lipoprotein (LDL) plays a central role in lipid and cholesterol metabolism and is a key molecular agent involved in the development and progression of atherosclerosis, a leading cause of mortality worldwide. Apolipoprotein B100 (apoB100), one of the largest proteins in the genome, is the primary structural and functional component of LDL, yet its size and complex lipid associations have posed major challenges for structural studies. Here we overcome those challenges and present the first structure of apoB100 from human LDL using an integrative approach of cryo-electron microscopy, AlphaFold2, and molecular dynamics-based refinement. The structure consists of a large globular N-terminal domain that leads into a ∼58 nm long x 4 nm wide continuous amphipathic β-sheet that wraps completely around the circumference of the particle, holding it together like a belt. Distributed symmetrically across the two sides of the β-belt are 9 strategically located inserts that vary in size from ∼30-700 residues and appear to have diverse functions. The largest two form long flexible strings of paired amphipathic helices that extend across the lipid surface to provide additional structural support through specific long-range interactions. These results suggest a mechanism for how the various domains of apoB100 act in concert to maintain LDL shape and cohesion across a wide range of particle sizes. More generally, they advance our fundamental understanding of LDL form and function and will help accelerate the design of potential new therapeutics.

The Electron Microscopy Hole Punch (EMHP) is a streamlined suite of tools for quick assessment, sorting, and hole masking of electron micrographs. With recent advances in single-particle electron cryo-microscopy (cryo-EM) data processing allowing for the rapid determination of protein structures using a smaller computational footprint, we saw the need for a fast and simple tool for data pre-processing that could run independent of existing high-performance computing (HPC) infrastructures. EMHP provides a data preprocessing platform in a small package that requires minimal python dependencies to function. Availability: https://www.bitbucket.org/chazbot/emhp Apache 2.0 License

In Brief Herein, we evaluated the immunogenicity of several BG505 SOSIP-based HIV Env immunogens in the rhesus macaque animal model using a combination of serology and biophysical approaches. We applied electron cryo-microscopy for high-resolution mapping of elicited polyclonal antibody responses, which provided detailed insights into the binding modes of the most common classes of antibodies elicited by BG505 SOSIP immunogens as well as the critical differences in immunogenicity that can occur as a consequence of engineered stabilizing mutations and partial glycan occupancy at different sites. Summary Engineered ectodomain trimer immunogens based on BG505 envelope glycoprotein are widely utilized as components of HIV vaccine development platforms. In this study, we used rhesus macaques to evaluate the immunogenicity of several stabilized BG505 SOSIP constructs both as free trimers and presented on a nanoparticle. We applied a cryoEM-based method for high-resolution mapping of polyclonal antibody responses elicited in immunized animals (cryoEMPEM). Mutational analysis coupled with neutralization assays were used to probe the neutralization potential at each epitope. We demonstrate that cryoEMPEM data can be used for rapid, high-resolution analysis of polyclonal antibody responses without the need for monoclonal antibody isolation. This approach allowed to resolve structurally distinct classes of antibodies that bind overlapping sites. In addition to comprehensive mapping of commonly targeted neutralizing and non-neutralizing epitopes in BG505 SOSIP immunogens, our analysis revealed that epitopes comprising engineered stabilizing mutations and of partially occupied glycosylation sites can be immunogenic. Graphical abstract

The dense arrangement of N-glycans masking antigenic surfaces on the HIV-1 envelope (Env) protein acts as a shield from the adaptive immune system. The molecular complexity of glycan modifications and their inherent dynamic heterogeneity on a protein surface make experimental studies of glycoprotein structures a challenge. Here we have integrated a high-throughput atomistic modeling with graph-theory based method to capture the native glycan shield topological network and identify concerted behavior of these glycans. This is the first time that a complete computational model of an HIV-1 Env trimeric SOSIP structure has been generated with a native glycosylation pattern including both oligomannose and complex glycans, thus obtaining results which are immunologically more relevant. Important global and local feature differences due to the native-like glycosylation pattern have been identified, that stem from the charged sialic acid tips, fucose rings at the base, and different branching patterns of the complex glycans. Analyses of network attributes have aided in detailed description of the shield in a biological context. We have also derived a measure to quantify the shielding effect based on the number of glycan heavy atoms encountered over the antigenic protein surface that can define regions of relative vulnerability and resilience on the shield, and can be harnessed for potential immunogen design.

Structural and functional studies of HIV Env as a transmembrane protein have long been complicated by challenges associated with inherent flexibility of the molecule and the membrane-embedded hydrophobic regions. Thus, most structural studies have utilized soluble forms where the regions C-terminal to the ectodomain are deleted. Here, we present approaches for incorporating full-length, wild-type HIV-1 Env, as well as C-terminally truncated and stabilized versions, into lipid assemblies, providing a modular platform for Env structural studies by single particle electron microscopy. We reconstituted a full-length Env clone into a nanodisc with MSP1D1 scaffold, complexed it with an MPER targeting antibody 10E8, and structurally defined the full quaternary epitope of 10E8 consisting of lipid, MPER and ectodomain contacts. By aligning this and other Env-MPER antibody complex reconstructions with the lipid bilayer, we observe evidence of Env tilting as part of the neutralization mechanism for MPER-targeting antibodies. We also adapted the platform toward vaccine design purposes by introducing stabilizing mutations that allow purification of unliganded Env with peptidisc scaffold.

The dense array of N-linked glycans on the HIV-1 Envelope Glycoprotein (Env), known as the "glycan shield", is a key determinant of immunogenicity, yet intrinsic heterogeneity confounds typical structure-function analysis. Here we present an integrated approach of single-particle electron cryomicroscopy (cryo-EM) and computational modeling to probe glycan shield structure and behavior at multiple levels. We found that dynamics lead to an extensive network of inter-glycan interactions and drive higher-order structuring within the glycan shield. This structure defines diffuse boundaries between buried and exposed protein surface and provides a mapping of potentially immunogenic sites on Env. Analysis of the same Env across a range of glycosylation states revealed that subtle changes in glycan occupancy, composition, and dynamics can impact glycan shield structure and epitope accessibility. We also performed site-specific mass-spectrometry analysis on the same samples and show how cryo-EM can complement such studies. Finally, we found that highly connected glycan sub-domains are resistant to enzymatic digestion and help stabilize the pre-fusion trimer state, suggesting functionality beyond immune evasion.

SUMMARY SIVmac239 infection of macaques is a favored model of human HIV infection. However, the SIVmac239 envelope (Env) trimer structure, glycan occupancy, and the targets and ability of neutralizing antibodies (nAbs) to protect against SIVmac239 remain unknown. Here, we report the isolation of SIVmac239 nAbs that recognize a glycan hole and the V1/V4 loop. A high-resolution structure of a SIVmac239 Env trimer-nAb complex shows many similarities to HIV and SIVcpz Envs, but with distinct V4 features and an extended V1 loop. Moreover, SIVmac239 Env has a higher glycan shield density than HIV Env that may contribute to poor or delayed nAb responses in SIVmac239-infected macaques. Passive transfer of a nAb protects macaques from repeated low dose intraveneous SIVmac239 challenge at serum titers comparable to those described for protection of humans against HIV infection. Our results provide structural insights for vaccine design and shed light on antibody-mediated protection in the SIV model.